電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)的應(yīng)用前景

吳立霞,吳可心

(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司 烏拉蓋供電分公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026321)

針對(duì)我國(guó)能源戰(zhàn)略格局的重大改變，能源系統(tǒng)不再是原來以化石能源主導(dǎo)，而是向低碳環(huán)保新能源方向轉(zhuǎn)變。新能源發(fā)電類型有很多，目前在內(nèi)蒙古地區(qū)廣泛使用的新能源類型主要是風(fēng)電和水力發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電也在逐步擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)。輸出的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性是新能源區(qū)別于傳統(tǒng)化石能源的最大問題，這些問題對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成很大的影響，而引入儲(chǔ)能技術(shù)，可以有效改善電力需求與供給不相匹配的問題，使輸出穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升、使電力質(zhì)量得到進(jìn)一步改善。儲(chǔ)能技術(shù)種類很多，每種儲(chǔ)能技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，在內(nèi)蒙古地區(qū)應(yīng)用較廣的儲(chǔ)能技術(shù)是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多，例如不會(huì)對(duì)環(huán)境造成大面積污染，使用方便，應(yīng)用地域廣，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。使用安全，較少資金的投入以及不會(huì)對(duì)環(huán)境造成大面積污染是使用儲(chǔ)能技術(shù)必須具備的3個(gè)硬性指標(biāo)。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的參數(shù)介紹

電化學(xué)儲(chǔ)能包含多種儲(chǔ)能技術(shù)，表1重點(diǎn)介紹了4種類型電池，主要列出4種電池的各項(xiàng)參數(shù)，通過比較就能看出最適合引入的電池類型。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)的綜合比較

2 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)介紹

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池，顧名思義是以硫酸溶液為電池的電解液，以鉛元素與鉛的氧化物為電極的二次電池。鉛酸電池的應(yīng)用技術(shù)較為成熟，由于鉛酸電池具有表2的優(yōu)點(diǎn)，所以能使電能質(zhì)量有很大的提升，電源和備用容量也得到很大提升。目前已成為通信、運(yùn)營(yíng)、電力等行業(yè)最廣泛使用的儲(chǔ)能電池。

表2 鉛酸電池優(yōu)點(diǎn)

但是，鉛酸電池也存在一些缺點(diǎn)阻礙了鉛酸電池的大范圍應(yīng)用，見表3。

表3 鉛酸電池缺點(diǎn)

科學(xué)家們致力于研究一種電池可以彌補(bǔ)鉛酸電池的不足，所以鉛碳電池問世，鉛碳電池雖然投入資本比鉛酸電池高，但是充電速度和充放電功率提高、循環(huán)利用次數(shù)增多，在不間斷電源、電動(dòng)車等行業(yè)中可以廣泛使用。

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池的工作原理是鋰離子在正極金屬氧化物和負(fù)極石墨中，以嵌入和脫出方式進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和釋放。

鋰離子電池有如表4的優(yōu)點(diǎn)。雖然在手機(jī)、筆記本電腦、照相機(jī)等電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車領(lǐng)域有較多應(yīng)用，制造成本在新能源汽車市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的情況下也在不斷下降，而使用安全性高的電極材料、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及做了安保措施，所以安全性問題也得到了很大改善。

表4 鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池處于正極的鈉離子通過陶瓷隔膜的固體電解質(zhì)與負(fù)離子的硫元素發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的存放。電池能量密度為150 Wh/kg～240 Wh/kg，功率密度為150 W/kg～230 W/kg，擁有很高的能量轉(zhuǎn)化效率，能達(dá)到90%左右，使用壽命很長(zhǎng)，能達(dá)到10年以上之久，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。鈉硫電池的優(yōu)點(diǎn)，見表5。

表5 鈉硫電池優(yōu)點(diǎn)

但是也存在安全隱患，見表6。如果隔膜出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致鈉和硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，那么就會(huì)釋放出大量熱，很有可能會(huì)造成嚴(yán)重事故。為了鈉硫電池大規(guī)模發(fā)展，需要在穩(wěn)定性和抗腐蝕性方面下功夫。目前，已經(jīng)研發(fā)出來的全固態(tài)鈉硫電池，解決了需要高溫下工作的條件，但是其他性能還有待提高。

表6 鈉硫電池的安全隱患

2.4 液流電池

液流電池的電解質(zhì)盛放在不同的容器里，不在電池體內(nèi)，而電池僅提供氧化還原反應(yīng)的場(chǎng)所，其循環(huán)流動(dòng)是泵來驅(qū)動(dòng)。所以儲(chǔ)能容量不受電極體積的限制，極大加速了電解質(zhì)的流動(dòng)，因此應(yīng)用范圍更廣。

在液流電池技術(shù)中，鋅溴液流電池和全釩液流電池應(yīng)用較廣。其中應(yīng)用最廣的是全釩液流電池。全釩液流電池優(yōu)點(diǎn)，見表7。

表7 全釩液流電池優(yōu)點(diǎn)

但是因電解液與隔膜的制造成本高是阻礙全釩液流電池大規(guī)模發(fā)展的限制因素。

3 適合內(nèi)蒙古西部地區(qū)的儲(chǔ)能技術(shù)

內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)存在的主要問題是新能源接納能力差、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻問題和旋轉(zhuǎn)備用容量問題。為了提升電能質(zhì)量和合理的改善外送能力，應(yīng)根據(jù)內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)現(xiàn)有問題，將化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能大規(guī)模接入電網(wǎng)。內(nèi)蒙古西部地區(qū)特點(diǎn)是缺乏水力資源，所以抽水蓄能與其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合才能滿足內(nèi)蒙古西部地區(qū)對(duì)于儲(chǔ)能的要求。

液流電池及鈉硫電池配置靈活、對(duì)環(huán)境影響較小、并且可以做到較大容量。所以液流及鈉硫電池可以作為抽水蓄能電站的補(bǔ)充解決目前存在的問題。

內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)是火電調(diào)峰型的電網(wǎng)，抽水蓄能電站作為補(bǔ)充。冬天，機(jī)組還要承擔(dān)供熱任務(wù)，就會(huì)影響火電機(jī)組的調(diào)峰靈活性，調(diào)峰能力下調(diào)，甚至可能需要棄風(fēng)棄光。因此，需要建立投入資金少、反應(yīng)靈敏的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和調(diào)峰電站，這樣就可以改善電網(wǎng)的調(diào)峰能力、同時(shí)對(duì)融入新能源提供了重要支撐。

內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)主要聚集在錫林郭勒盟、巴彥淖爾市以及包頭市北部的達(dá)茂旗，距負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，與電網(wǎng)主網(wǎng)架聯(lián)系不通暢，電網(wǎng)末端的系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)烈不穩(wěn)。為了有效解決這一困難，利用液流電池儲(chǔ)能的容量大、使用壽命長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)多的特點(diǎn)，與風(fēng)電場(chǎng)相結(jié)合，有效改善了電能質(zhì)量，大幅提高了電網(wǎng)末端的穩(wěn)定運(yùn)行。目前全釩液流電池已大規(guī)模使用在風(fēng)電場(chǎng)中，大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)充分證明，全釩液流電池可以抑制風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)、改善輸出的電能質(zhì)量、增強(qiáng)風(fēng)機(jī)低電壓過渡能力。

4 總結(jié)與展望

本文介紹了4種電化學(xué)儲(chǔ)能，并對(duì)4種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，針對(duì)內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)存在的問題，提出了改善思路，解決了問題。從而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，改善了電能質(zhì)量。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)與新能源的相互融合，使儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，作為短板的補(bǔ)充，提高了其性價(jià)比和實(shí)用效果。與多種儲(chǔ)能技術(shù)相融合是未來發(fā)展的方向。同時(shí)并網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)越來越成熟、應(yīng)用范圍越來越廣，儲(chǔ)能投入的成本就會(huì)越來越少，性能方面也可以得到大幅提升。